DCS控制系統在鋁電解大修渣無害化處置中的設計與應用

王 珣，陳開斌，王瑩瑋，劉 彤，杜婷婷，尹大偉，曹寶玲

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

隨著我國電解鋁工業的迅猛發展，電解鋁工業的環境污染問題已引起國家、行業和社會的高度關注。大修渣是電解鋁生產過程中不可避免的固體廢棄物，其中含有的主要毒性物質可溶氟化物和氰化物對土壤、水域和大氣危害極大，已被列入《國家危險廢物名錄》。

“鋁電解大修渣無害化處理技術開發及工業應用”項目團隊成員經過持續研發和不斷改進，成功探索出了一條有效解決電解鋁大修渣環境問題的道路。

該處置系統以DCS為控制核心，采用工業以太網通訊方式采集破碎、球磨、反應、壓濾、廢氣凈化五個作業區的控制信息，在多個過程控制模塊中計算，實現了檢測、顯示、控制、管理于一體。實時在線監測鋁電解大修渣無害化處置工藝設備運行參數、運行狀態、安全環保數據等，便于操作及管理人員及時掌握生產狀況，實現了鋁電解大修渣無害化處置線的穩定高效運行。

1 控制系統結構

處置線DCS監控系統設工程師站、操作站、歷史站、控制站，并采取雙網絡冗余[1]，控制站采用雙處理器，如圖1所示，實現系統控制運算核心部分冗余配置，自動切換，確保運行穩定可靠。

架構從上至下由管理網（MNET）、系統網（SNET）、控制網（CNET）三層構成。分布在生產現場的傳感器、變送器和執行器等將信號變送給控制站，并執行控制站發送的命令，控制現場設備有序安全工作，現場設備及儀表采樣到的信號在操作電腦上實時顯示。采用監視級、操作員級、工程師級3級權限分配[2]。

采集處置過程破碎、球磨、反應、壓濾、廢氣凈化五個作業區的檢測數據、設備運行狀態及控制信息，采用工業以太網及PROFIBUS-DP通訊將采集信息集中顯示在操作主機上。

操作主機設過程監控、配料控制、工藝數據曲線、數據記錄、報警顯示及設備工作狀態等畫面，可直觀、清晰地監控處置過程，便于操作及管理人員及時掌握生產狀況。

圖1 處置線DCS控制系統結構

廢氣凈化裝置相對獨立且要求達到全自動無人值守，確定西門子S7-300PLC與觸摸屏相結合的控制方案；采用PROFIBUS-DP通訊將PLC上的數據上傳至DCS系統進行統一監控[3]；出于安全考慮，要求操作人員在現場確認滿足條件后再開啟設備。

2 軟件設計

MACS V6.5是和利時推出的最新一代的MACS平臺，該軟件是工程師站組態的主要工具，由工程總控、圖形編輯器、AutoThink控制器算法組態三部分組成。系統組態流程如圖2所示。

2.1 系統控制方案

無害化處置系統的控制邏輯塊分為以下幾個：干法1、干法2、粉料添加、水添加、藥劑A添加、藥劑B添加、壓濾系統、收塵系統、廢氣凈化系統等。為保證處置效果，幾種藥劑添加數量的精準控制尤為重要。

2.1.1 除氟過程耦合配比控制模型

除氟劑加入量記為：Y1=f(X1,X2)；

其中：Y1—除氟劑加入量；X1—粉料量；X2—可溶氟化物含量；

在處理過程中，不同物料的X1、X2也變化，記為：

圖2 系統組態流程

X1=f(t)；X2=f(t)；

其中：t——時間；

因此，除氟劑加入量：Y1=f(X1,X2,t)，表示在處理過程中，隨著粉料量及可溶氟化物含量不同，加入的除氟劑也不同。

2.1.2 除氰過程耦合配比控制模型

除氰劑加入量記為：Y2=f(X1,X3)；

其中：Y2—除氰劑加入量；X1—粉料量；X3—可溶氰化物含量；

在處理過程中，不同物料的X1、X3也變化，記為：

X1=f(t)；X3=f(t)；

其中：t—時間；

因此，除氰劑加入量：Y2=f(X1,X3,t)，表示在處理過程中，隨著粉料量及可溶氰化物含量不同，加入的除氰劑也不同。

2.1.3 調節過程耦合配比控制模型

調節劑加入量記為：Y3=K1Y1+K2Y2；

其中：K1—除氟劑對酸堿性影響的權重系數；K2—除氰劑對酸堿性影響的權重系數。

2.2 廢氣凈化裝置控制方案

廢氣凈化裝置PLC系統選用CPU315-2PN/DP，該CPU組合PROFIBUS-DP主/從接口，該接口可用作PROFIBUS-DP通訊，在廢氣凈化裝置控制系統中該接口用作從站。設置該接口類型為PPROFIBUS，地址為45，必須與DCS上設置的從站地址保持一致，操作模式設置為DP從站；從站要與DCS主站通訊，必須設置類型和大小一致的傳輸區域。

3 控制系統界面設計

控制系統將自主研發的大修渣無害化處理技術有效轉化為多個過程控制模塊，集成在控制策略中。控制系統顯示所有控制設備狀態信息，并記錄、顯示設備工作狀態，當設備故障、檢測數據錯誤、超限，立即報警，提示操作人員關注、處理。

通過人—機交互畫面進行配料控制，依據每個控制模塊策略，自動計算、控制原料及藥劑添加量，實現精準控制，確保無害化渣達標排放。

控制系統儲存每次無害化處理過程中的技術數據，并以曲線形式顯示主要工藝數據，具有數據查詢功能，為無害化處理過程數據分析，技術持續優化提供基礎，主控制畫面如圖3所示。

4 控制效果

針對生產工藝特點，從控制參數、控制點、安全控制原理，采用的邏輯控制單元、檢測變送單元等方面綜合考慮，采用先進自動控制策略對設備實施連鎖控制，可預先對重要的工藝控制參數進行預調整控制，預先報警提示，必要時緊急連鎖停車，緊急停止相關生產工序，保證安全生產，避免發生人身、設備、環保事故，確保處置線長期、安全、穩定運行。